Design and Analysis of a Multiport PV-Battery Converter with Differential Power Processing for improved energy management in EV charging applications

आधुनिक युग में अपने जीवन को स्वच्छ ऊर्जा से संचालित करने के बढ़ते प्रयास में, एक निरंतर चुनौती बनी हुई है: सूरज हमेशा तब नहीं चमकता जब हमें बिजली की आवश्यकता होती है, और हमारे बैटरी भी अंतराल को भरने के लिए हमेशा पर्याप्त शक्ति नहीं रख पाते हैं। इसे हल करने के लिए, इंजीनियर लंबे समय से 'कन्वर्टर' नामक उपकरणों पर भरोसा करते आए हैं, जो विद्युत ऊर्जा के लिए ट्रैफिक निर्देशकों के रूप में कार्य करते हैं, जो सौर पैनलों से बैटरी और फिर हमारे घरों या इलेक्ट्रिक वाहनों तक शक्ति पहुंचाते हैं। पारंपरिक दृष्टिकोण यह रहा है कि सूर्य द्वारा उत्पन्न ऊर्जा के प्रत्येक एक वाट को इन कन्वर्टर से गुजरने के लिए मजबूर किया जाए, चाहे बैटरी को इसकी आवश्यकता हो या लोड को इसकी। यह विधि, हालांकि विश्वसनीय है, स्वाभाविक रूप से अपव्ययी है, क्योंकि कन्वर्टर ऊर्जा को गर्मी और घर्षण के माध्यम से जला देता है, भले ही प्रवाह पूरी तरह से संतुलित हो। एक अधिक हालिया विचार, जिसे 'डिफरेंशियल पावर प्रोसेसिंग' के रूप में जाना जाता है, एक स्मार्ट विकल्प का सुझाव देता है: पूरी नदी को स्थानांतरित करने के बजाय, केवल उस पानी को स्थानांतरित करें जो ओवरफ्लो हो रहा है या जो कम है। जो उत्पन्न होता है और जिसकी आवश्यकता है, उनके बीच के अंतर को प्रोसेस करके, सिस्टम भारी काम करने से बच सकता है जो ऊर्जा हानि का कारण बनता है, जिससे मुख्य प्रवाह सीधा और कुशल बना रहता है।

वेल्लोर इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ता शनमुगम सरवनन और शर्मिला ए ने इस अवधारणा को लिया है और इसे सौर पैनलों, एक बैटरी स्टोरेज यूनिट और एक इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग स्टेशन वाले एक जटिल तीन-तरफा सिस्टम पर लागू किया है। उनका कार्य एक एकल उपकरण डिजाइन करने पर केंद्रित है जो पुराने डिजाइनों की अक्षमताओं के बिना इन तीनों ऊर्जा स्रोतों को एक साथ प्रबंधित कर सके। उनके प्रस्तावित सिस्टम में, सौर पैनल और बैटरी बैंक एक सामान्य इलेक्ट्रिकल बस से जुड़े होते हैं जो इलेक्ट्रिक वाहन को फीड करती है। मुख्य नवाचार इस बात में निहित है कि उपकरण सौर उत्पादन और वाहन की चार्जिंग मांग के बीच के अंतर को कैसे संभालता है। जब सूरज ठीक उतनी ही शक्ति पैदा करता है जितनी कार को चार्ज करने के लिए चाहिए, तो नया कन्वर्टर अनिवार्य रूप से निष्क्रिय रहता है, लगभग कोई शक्ति प्रोसेस नहीं करता है और लगभग कोई गर्मी पैदा नहीं करता है। यह केवल तभी सक्रिय कार्य में आता है जब सौर ऊर्जा का अधिशेष (surplus) भंडारण के लिए हो या ऐसी कमी हो जिसे बैटरी को पूरा करना हो। यह पारंपरिक प्रणालियों के बिल्कुल विपरीत है, जिन्हें सौर ऐरे की पूरी शक्ति को लगातार प्रोसेस करना पड़ता है, भले ही वह शक्ति मांग के साथ पूरी तरह से मेल खाती हो।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने अपने डिजाइन का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया, जिसमें दो किलोवाट शक्ति संभालने में सक्षम सिस्टम का मॉडल तैयार किया गया। उन्होंने डिवाइस को विभिन्न वास्तविक स्थितियों के तहत संचालित होने के लिए प्रोग्राम किया, जैसे कि धूप में अचानक गिरावट या चार्जिंग की गति में तेजी से वृद्धि। सिमुलेशन से पता चला कि डिवाइस विभिन्न मोड के संचालन के बीच सफलतापूर्वक स्विच कर सकता है। एक परिदृश्य में जहाँ सौर पैनल कार की आवश्यकता से अधिक शक्ति उत्पन्न कर रहे थे, सिस्टम अतिरिक्त ऊर्जा को भंडारण के लिए बैटरी की ओर निर्देशित करता है। इसके विपरीत, जब कार ने उतनी शक्ति की मांग की जितनी सूरज प्रदान कर सकता था, बैटरी ने सहजता से अंतर को पूरा करने के लिए कदम बढ़ाया। इन बदलावों के दौरान, सिस्टम ने एक स्थिर वोल्टेज बनाए रखा, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि इलेक्ट्रिक वाहन को संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स को नुकसान पहुँचाने वाले उतार-चढ़ाव के बिना स्थिर चार्ज प्राप्त हो। कंट्रोल लॉजिक को सटीक बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो सेंसर का उपयोग करके लगातार पावर स्तरों की निगरानी करता है और केवल तभी प्रवाह को समायोजित करता है जब वास्तव में कोई असंतुलन होता है।

सिमुलेशन के परिणाम आश्चर्यजनक थे। प्रस्तावित सिस्टम ने 95.8 प्रतिशत की शिखर दक्षता (peak efficiency) हासिल की, जिसका अर्थ है कि सिस्टम में डाली गई लगभग पूरी ऊर्जा अपने गंतव्य तक पहुँच गई। यह एक महत्वपूर्ण सुधार है, क्योंकि पारंपरिक फुल-पावर प्रोसेसिंग कन्वर्टर, जिन्हें शोधकर्ताओं ने समान परिस्थितियों में केवल 90.2 प्रतिशत की शिखर दक्षता पर चलते हुए पाया, की तुलना में यह बेहतर है। यह लाभ तब और भी स्पष्ट हो गया जब सिस्टम कम लोड पर चल रहा था, जैसे कि जब कार धीरे चार्ज हो रही थी या सूरज कमजोर था। इन हल्के परिदृश्यों में, नए डिजाइन ने 93.8 प्रतिशत की दक्षता बनाए रखी, जबकि पारंपरिक विधि 83.1 प्रतिशत तक गिर गई। यह अंतर इसलिए मौजूद है क्योंकि पारंपरिक कन्वर्टर पूरे लोड को संभालने के लिए घटकों को लगातार चालू और बंद करके ऊर्जा बर्बाद करता है, जबकि नया डिजाइन केवल तभी अपने स्विचिंग घटकों को सक्रिय करता है जब पावर का अंतर आवश्यक होता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि नए डिवाइस को बहुत कम शक्ति वाले घटकों के साथ बनाया जा सकता है—विशेष रूप से 0.8 किलोवॉट-एम्पीयर, जबकि पुराने तरीके के लिए 2.0 किलोवॉट-एम्पीयर की आवश्यकता होती है। आकार और रेटिंग में यह कमी बताती है कि नया कन्वर्टर बनाना सस्ता हो सकता है और इसे कम कूलिंग की आवश्यकता होगी, क्योंकि यह काफी कम गर्मी पैदा करता है।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि शक्ति को रूट करने के तरीके को बदलकर, ऐसे इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग सिस्टम बनाना संभव है जो अधिक कुशल और अधिक उत्तरदायी हों। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक ऐसा सिस्टम जो कुल शक्ति के बजाय केवल शक्ति के अंतर को संभालने के लिए बनाया गया है, ऊर्जा की हानि को काफी कम कर सकता है। हालांकि निष्कर्ष वर्तमान में भौतिक प्रोटोटाइप के बजाय कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं, लेकिन गणितीय मॉडल और कंट्रोल रणनीतियों का विस्तृत परीक्षण इस अवधारणा के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करता है। यह कार्य सुझाव देता है कि भविष्य के चार्जिंग स्टेशन सौर ऊर्जा और बैटरी स्टोरेज को अधिक प्रभावी ढंग से एकीकृत कर सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रिक वाहन कम बर्बादी के साथ तेजी से चार्ज हो सकेंगे। मुख्य पावर फ्लो को सीधा रखकर और जटिल प्रोसेसिंग को केवल तभी आरक्षित करके जब वास्तव में इसकी आवश्यकता हो, यह दृष्टिकोण बढ़ते इलेक्ट्रिक परिवहन नेटवर्क में टिकाऊ ऊर्जा प्रबंधन की दिशा में एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।